Torsionsanalyse verstehen
Definition: Was ist eine Torsionsanalyse?
Torsionsanalyse ist die Messung, Auswertung und Modellierung von Torsionsschwingung– Drehschwingungen um die Wellenachse – in rotierenden Maschinenantriebssträngen. Im Gegensatz seitliche Vibration (Biegung), die mit Standardmesssystemen leicht gemessen werden kann Beschleunigungsaufnehmer, Torsionsschwingungen erfordern spezielle Messtechniken (Dehnungsmessstreifen, Doppeltachometer, Laservibrometrie) und Analysen, um Winkelschwingungen zu erkennen, Torsionseigenfrequenzen zu bestimmen und das Ermüdungsrisiko in Wellen, Kupplungen und Zahnrädern einzuschätzen.
Die Torsionsanalyse ist entscheidend für Kolbenmotorantriebe, lange Antriebswellen, Hochleistungsgetriebe und VFD-Motoranwendungen, bei denen Torsionsschwingungen trotz akzeptabler seitlicher Schwingungspegel zu katastrophalen Wellen- oder Kupplungsausfällen führen können. Es handelt sich um eine spezialisierte, aber unverzichtbare Diagnosefunktion zur Vermeidung plötzlicher, unerwarteter Ausfälle in Kraftübertragungssystemen.
Warum eine Torsionsanalyse erforderlich ist
Torsions- vs. Lateralschwingung
- Seitlich: Biegung, Seitwärtsbewegung, gemessen mit Standard-Beschleunigungsmessern
- Torsionssteifigkeit: Drehung um die Achse, keine seitliche Verschiebung, unsichtbar für Standardsensoren
- Unabhängigkeit: Kann eine starke Torsionssteifigkeit mit geringer Lateralsteifigkeit aufweisen (und umgekehrt)
- Beschädigung: Torsionskräfte können zu Wellen-/Kupplungsausfällen führen, ohne dass es durch seitliche Messungen zu einer Warnung kommt.
Fehlermodi
- Wellenermüdungsbrüche (typischerweise 45° zur Achse)
- Ausfall von Kupplungselementen (Verzahnung, elastische Elemente)
- Zahnbruch durch oszillierende Belastungen
- Beschädigung von Schlüssel und Schlüsselnut durch Reibkorrosion
Messtechniken
1. Dehnungsmessstreifen-Methode
Direkte Torsionsspannungsmessung:
- Dehnungsmessstreifen im 45°-Winkel zur Wellenachse (maximale Scherspannungsausrichtung)
- Misst die Scherbelastung durch Verdrehen
- Erfordert Schleifringe oder drahtlose Telemetrie für rotierende Wellen
- Am genauesten, aber komplex und teuer
- Primäre Verwendung in Forschung und Entwicklung
2. Dual-Tachometer-Methode
- Zwei optische Sensoren an unterschiedlichen Schachtstandorten
- Messen Sie die Phasendifferenz zwischen Standorten
- Phasendifferenz = Winkelverdrehung = Torsionsschwingung
- Berührungslos und praxisnah
- Begrenzt auf niederfrequente Torsionsschwingungen (< 100 Hz typisch)
3. Laser-Torsionsvibrometer
- Spezialisiertes Laser-Doppler-System
- Misst Winkelgeschwindigkeitsschwankungen
- Berührungslos
- Breiter Frequenzbereich
- Teuer, aber leistungsstark
4. Motorstromanalyse
- Torsionsschwingungen erzeugen Stromschwankungen
- Motorstromspektrum analysieren
- Indirekt, aber nicht-invasiv
- Nützliches Screening-Tool
Analytische Torsionsanalyse
Mathematische Modellierung
- Torsionsmodell mit konzentrierter Masse des Antriebsstrangs
- Torsionseigenfrequenzen berechnen
- Vorhersage der Reaktion auf Anregungsquellen
- Kritische Drehzahlen und Resonanzen erkennen
Anregungsquellen
- Hubkolbenmotoren: Zündimpulse erzeugen Torsionsanregung
- Zahneingriff: Zahneingriff erzeugt oszillierendes Drehmoment
- Frequenzumrichter: PWM-Schaltfrequenzharmonische
- Elektrisch: Poldurchgangs- und Schlupffrequenzen des Motors
Campbell-Diagramm für Torsions
- Darstellung der Torsionseigenfrequenzen im Vergleich zur Geschwindigkeit
- Überlagerung der Anregungsordnungslinien
- Ermittlung torsionskritischer Drehzahlen (Störstellen)
- Anleitung zur Auswahl der Betriebsgeschwindigkeit
Kritische Anwendungen
Kolbenmotorantriebe
- Dieselgeneratoren
- Gasmotorkompressoren
- Schiffsantriebe
- Große Drehmomentpulsationen erfordern eine Analyse
Lange Antriebswellen
- Walzwerksantriebe
- Schiffspropellerwellen
- Papiermaschinenantriebe
- Länge sorgt für geringe Torsionssteifigkeit
Hochleistungsgetriebe
- Windkraftgetriebe
- Industriegetriebe > 1000 PS
- Anregung von Torsionsmoden durch Zahneingriff
VFD-Motorsysteme
- Frequenzumrichter erzeugen Torsionsanregung
- PWM-Harmonische können Torsionsresonanzen anregen
- Zunehmende Besorgnis über die Verbreitung von VFD
Analyseergebnisse
Torsionseigenfrequenzen
- Durch Messung oder Berechnung ermitteln
- Vergleichen Sie mit Anregungsfrequenzen
- Sicherstellen einer ausreichenden Trennung
Stresslevel
- Berechnen Sie die Wechselschubspannung aus der gemessenen Schwingung
- Vergleichen Sie mit den Materialermüdungsgrenzen
- Bewerten Sie den Ermüdungslebensdauerverbrauch
- Bestimmen Sie, ob die Belastungen akzeptabel sind
Dämpfung
- Messung der Reaktion bei Torsionsresonanzen
- Typischerweise sehr niedrig (< 1% von kritisch)
- Geringe Dämpfung bedeutet scharfe Resonanzen
Minderungsstrategien
Frequenztrennung
- Sicherstellen, dass die Torsionseigenfrequenzen von den Anregungsfrequenzen getrennt sind
- Ändern Sie Wellendurchmesser, Länge oder Kupplungssteifigkeit
- Trägheiten ändern (Schwungrad hinzufügen)
Dämpfungszusatz
- Torsionsdämpfer (viskos oder Reibung)
- Hochdämpfende Kupplungen
- Reduziert die Resonanzverstärkung
Änderungen der Betriebsgeschwindigkeit
- Vermeiden Sie Dauerbetrieb bei torsionskritischen Drehzahlen
- Geschwindigkeitsbereiche einschränken
- VFD-Tuning zur Minimierung der Anregung
Die Torsionsanalyse ist eine spezielle Schwingungsanalyse, die sich mit Torsionsschwingungen befasst, die zu schwerwiegenden Ausfällen führen können, die bei herkömmlicher seitlicher Schwingungsüberwachung nicht erkennbar sind. Obwohl spezielle Mess- und Analysetechniken erforderlich sind, ist die Torsionsanalyse für Kolbenmotorantriebe, lange Wellen, Hochleistungsgetriebe und VFD-Systeme unerlässlich, bei denen Torsionsschwingungen erhebliche Zuverlässigkeits- und Sicherheitsrisiken bergen.
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